문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 미분방정식

지수적 증가와 감소

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-1 · 3.3절 · 6번대학 수준우리말 번역

뼈 시료가 10,000 년 전에 죽은 동물의 것이다. 이 뼈가 동물이 죽을 때 5 μ\mug 의 탄소-14를 포함하고 있었다면, 지금은 탄소-14가 얼마나 들어 있을 것으로 예상하나요?

영어 원문 보기

A sample of bone belongs to an animal that died 10,000 years ago. If the bone contained 5 μ\mug of Carbon-14 when the animal died, how much Carbon-14 do you expect it to have now?

정답·풀이 보기

동물이 죽은 지 tt 년 후 시료에 들어 있는 탄소-14의 양은 Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} 이다. 여기서 kk 는 어떤 상수이고, 5는 시간 t=0t=0 일 때 시료에 들어 있는 탄소-14의 양이다. 따라서 우리가 구하는 답은 Q(10000)Q(10000) 이다. Q(10000)Q(10000) 의 값을 구하려면 kk 를 실제 수로 바꿔야 하는데, 그 열쇠는 반감기이다. 교재에 따르면 탄소-14의 반감기는 5730 년이므로 다음이 성립한다.

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730따라서:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730이제 값을 구할 수 있다:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{따라서:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{이제 값을 구할 수 있다:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

참고: 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 년이 지나면 시료는 반감기를 두 번 거친 셈이므로, 남아 있는 탄소-14는 처음 양의 4분의 1, 즉 1.251.25 μ\mug 이다. 10,000 년 후의 시료에는 11,460 년 후보다 탄소-14가 조금 더 많이 들어 있는 것이 타당하다. 실제로 1.5 는 1.25 보다 조금 크므로 우리가 구한 답은 그럴듯해 보인다.

답이 그럴듯한지 빠르게 확인할 방법을 찾는 것은 좋은 습관이다. 작은 계산 실수가 풀이에서 큰 오류로 이어지기 쉽기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of Carbon-14 in the sample tt years after the animal died will be Q(t)=5e−ktQ(t)=5e^{-kt} for some constant kk (where 5 is the amount of Carbon-14 in the sample at time t=0t=0). So, the answer we're looking for is Q(10000)Q(10000). We need to replace kk with an actual number to evaluate Q(10000)Q(10000), and the key to doing this is the half-life. The text tells us that the half-life of Carbon-14 is 5730 years, so we know:

Q(5730)=525e−k⋅5730=52(e−k)5730=12e−k=125730=2−15730So:Q(t)=5(e−k)t=5⋅2−t5730Now, we can evaluate:Q(10000)=5⋅2−100005730≈1.5 μg\begin{aligned} Q(5730)&=\frac{5}{2}\\ 5e^{-k\cdot5730}&=\frac{5}{2}\\ \left(e^{-k}\right)^{5730}&=\frac{1}{2}\\ e^{-k}&=\sqrt[5730]{\frac{1}{2}}=2^{-\tfrac{1}{5730}} \\ \text{So:} \\ Q(t)&=5\left(e^{-k}\right)^t\\ &=5\cdot2^{-\tfrac{t}{5730}} \\ \text{Now, we can evaluate:} \\ Q(10000)&=5\cdot 2^{-\tfrac{10000}{5730}}\approx 1.5~\mu g \end{aligned}

Remark: after 2(5730)=11,4602(5730)=11,460 years, the sample will have been sitting for two half-lives, so its remaining Carbon-14 will be a quarter of its original amount, or 1.251.25 μ\mug. It makes sense that at 10,000 years, the sample will contain slightly more Carbon-14 than at 11,460 years. Indeed, 1.5 is slightly larger than 1.25, so our answer seems plausible.

It's a good habit to look for ways to quickly check whether your answer seems plausible, since a small algebra error can easily turn into a big error in your solution.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.3절 · 4번우리말 번역

f(x)=Aekxf(x) = A e^{kx} 꼴의 함수를 생각하자. 여기서 AA 와 kk 는 상수이다. f(0)=5f(0)=5 이고 f(7)=πf(7)=\pi 일 때, 상수 AA 와 kk 를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

주어진 두 정보로부터 다음을 얻는다.

f(0)=A=5f(7)=Ae7k=π\begin{aligned} f(0) &= A = 5 & f(7) &= A e^{7k}=\pi \end{aligned}

따라서 A=5A=5 이고, π=f(7)=5e7k\pi = f(7) = 5e^{7k} 이다. 그러므로

e7k=π57k=log⁡(π/5)k=17⋅log⁡(π/5).\begin{aligned} e^{7k} &= \frac{\pi}{5} \\ 7k &= \log(\pi/5) \\ k &= \frac{1}{7} \cdot \log(\pi/5). \end{aligned}

여기서 log⁡\log 는 자연로그 log⁡e\log_e 를 뜻한다.

이 문제로 이어서 풀기
# 지수적 증가와 감소계산보통자동 분류

「지수적 증가와 감소」 문제 목록으로